常规炼焦工艺与热回收炼焦工艺的比较

世界金属导报/2011年/7月/5日/第010版

原料炼铁

常规炼焦工艺与热回收炼焦工艺的比较

林立恒

常规炼焦工艺和热回收炼焦工艺都能生产优质焦炭及达到能量平衡，同时可保证低生产成本。

为了选择更适合的炼焦工艺，美国哈奇公司对一些炼焦项目进行了可行性研究，并对常规炼焦工艺及热回收炼焦工艺进行了比较研究。研究结果是炼焦工艺的选择必需就事论事，因为决定的因素很多，其中包括可用的土地及能源、钢厂总体布局、环境及设备投资等各个方面。两种炼焦工艺的总能量平衡存在着很大差别，热回收炼焦工艺可以大量发电，而常规炼焦工艺能产出钢铁冶炼用的煤气。

1 炼焦工艺概述

冶金焦生产工艺有三种类型：常规炼焦，热回收炼焦及蜂窝焦炼焦。热回收炼焦工艺是蜂窝焦生产工艺的革新。蜂窝焦生产工艺绝大多数已被淘汰。下面重点比较常规炼焦工艺及热回收炼焦工艺。

炼焦选用的煤经过筛分破碎至3mm以下，根据煤的岩相组分混配在一起，用于生产优质焦炭。在选煤中应选用成本低而炼焦效果高的煤。混配好的煤料装入焦炉里，大约1100℃或更高的温度下使煤料分解干馏变成焦炭。一个炼焦周期结束后，从炉内推出热焦，使之落入熄焦车里，以便送往熄焦塔，在塔内使焦炭冷却及稳定。用水熄焦称为湿熄焦，也可用氮气熄焦，这种气体熄焦称为干熄焦。熄焦后的成品焦供高炉使用。

常规炼焦是因炼焦当中将释放出的各种挥发性物质收集起来精炼成化学副产品而得名。常规炼焦是在碳化室内，在无氧气氛中进行。碳化室内保持正压，以防外部空气窜入，挥发性物质被燃烧。现代焦炉高度通常为4-8m。对于双联火道常规炼焦炉，保证整个炉组温度高而分布均匀至关重要。

1.1 常规炼焦工艺

常规炼焦时主要污染物排放源生成于推焦过程。推焦时炉门打开，红焦直接暴露在大气中。焦炉碳化室高度越高，焦炉生产的焦炭就越多，因而能以较少的装煤及推焦次数以及较少的污染物排放量生产出更多的焦炭。

常规炼焦中放出来的各种挥发性物质进入总集气管，然后送到副产品回收装置。荒煤气经喷洒液及初冷器，焦油冷凝。接着静电沉淀器脱除尚存的焦油。根据市场需求，对煤气作更深层次的处理，生产出另外一些副产品，包括萘、硫酸铵及硫等。被称为焦炉煤气的净煤气贮存在煤气柜中，予以升压，供全厂用作加热燃料及还原气体。

1.2 热回收炼焦工艺

在热回收炼焦工艺中，各种挥发性物质都在焦炉内完全燃尽，以便保证炼焦所需热量。热回收炼焦采用卧式焦炉。炉门留有空气入口，用于引进一次燃烧空气，使挥发性物质在碳化室内发生局部燃烧。二次燃烧空气从炉底烟道引入。炉底烟道呈蛇形走势，位于煤气之下。这种烟道布置型式及气流控制模式能保证煤层顶部及底部煤料达到均衡结焦。由于炉内的温度极高，所以各种有害碳氢化合物及副产品都在碳化室内全部燃尽。高温气体通过废气通道送至热回收蒸汽发生器，生产高压蒸汽，供加热及发电用。冷却后的废气送入脱硫装置进行脱硫，然后排入大气。

2 案例研究

根据钢厂布局及原燃料来源的不同，提供两种情景进行比较研究。情景研究的内容包括：

◆推导全厂总能量平衡；

◆确定每种工艺的基建费用；

◆推算每种工艺的生产成本；

◆通过流动资金分析确定哪一种工艺在项目20年使用期限内投资回报最多；

◆根据能耗强度以及SO2和其它有害物排放量计算每种工艺的环境影响。

2.1 情景1

选择哈奇公司为南非偏远地区拟建一座新炼铁厂而作的炼焦厂作为情景1进行比较研究。这家综合工厂包括烧结厂、球团厂、炼焦厂、高炉及发电厂，炼焦厂每年为高炉提供冶金焦（25-80mm）及小块焦（15-25mm）共计83万t，小于15mm的碎焦用作烧结厂及球团厂的固体燃料。生产的生铁及铁矿石球团外销。

为了进行比较研究，重点分析常规炼焦工艺及热回收炼焦工艺的全厂能量平衡。这样就可计算每种炼焦工艺的能量需求及评价其它各种设备之间的相互配合效果。为进行分析比较，特做以下假设：

◆此生铁冶炼厂能生产其所需的全部电力，不必从厂外电网购买电力；

◆高炉及常规焦炉所产生的煤气不用于生铁冶炼而是用于生产蒸汽及发电；

◆该厂卖给当地电网的多余电力，可获得额外收入；

◆当需要为高炉提供高热值燃料时，使用的是重质燃料油，如果不能用副产煤气达到能量平衡，也是用燃料油来平衡电力缺口；

◆厂区无天然气可用。

此研究中考虑三种燃料来源：

①高炉煤气

它来自本厂高炉，煤气成分大致为：20%CO，20%CO2，5%H2及55%N2。由于惰性气体百分率很高，所以此煤气热值较低，约为3.5MJ/Nm3。高炉煤气用于自身热风炉加热，如有可能，将剩余高炉煤气外销给其它厂家。高炉煤气热值偏低，因而不适合用于烧结厂及球团厂。在电厂，必需使用燃油来弥补高炉煤气的这种不足。

②焦炉煤气

它是常规炼焦过程中产生的主要副产品。焦炉煤气的主要成分为：50%H2，25%CO，20%CH4，5%CO2。焦炉煤气热值极高达18MJ/Nm3，因而可用于钢厂各种加热作业，其中包括焦炉自身的加热。

③燃油

燃油是在其它煤气完全耗尽或需用高热值燃料及无焦炉煤气可用时的补充燃料。燃油热值为40MJ/kg。但其硫分相当高，燃烧时会排放SO2。

生产成本是根据全厂物料及能量平衡以及中国设备供货商所提供的技术资料计算的。计算所用各项单价是由买方提供或用一地区可比价确定的。常规炼焦及热回收炼焦的基建投资是根据中国设备供货商的报价、哈奇计算的工程费及间接费计算的。

对每种工艺进行了简明财务分析，用20年期的净现值说明了分析结果，其中折现因数为10%。为计算营业收入采用产品的售价：生铁为300美元/t，铁矿石球团为115美元/t。项目工期定为三年。

环境影响是根据哈奇的4QA“可持续发展”方法计算的。用此方法可从量及质两方面加权计算不同环境因素作出评价。各种环境因素包括：

①能耗强度是衡量净能量利用率的计算因素；

②二氧化硫排放量是按照燃烧的燃油量计算出的SO2量。由于安装了脱硫装置，热回收炼焦工艺发电厂排放的SO2及常规炼焦工艺焦炉煤气燃烧产生的SO2极少。

③从质上对萘及其它芳香烃等其它污染物作了说明。